地下滴灌葡萄园土壤温度的时空变化特征

袁余　苏学德　李鹏程　郭绍杰　李铭

摘要：以3年生克瑞森地下滴灌葡萄园为研究对象，分析土壤垂直方向上20、40、60、80 cm处的土壤温度日变化、土壤温度在葡萄不同生育期的变化及年变化特征。结果表明，地下滴灌葡萄园各深度的土壤温度日变化趋势基本相同，近地表处土壤温度日变化幅度相对较大，深层土壤温度日变化趋势平缓；以04：00、08：00、14：00、22：00代表土壤温度变化特征时刻的各深度土壤温度，在葡萄整个生育期内变化趋势均匀，萌芽期开始上升，果实生长期土壤温度达到最大值，后开始下降；葡萄园土壤温度在年变化过程中先上升后下降，7月达到最大值，土壤温度变化曲线随土壤深度的增加振幅减小；土壤深度40 cm处的年平均温度为1314 ℃，高于其他深度土壤年平均温度；各深度土壤温度与气温有明显的二次函数关系，并随土层深度的变化显著性逐渐降低。

关键词：地下滴灌；葡萄园；土壤温度；时空特征；日变化；年变化；克瑞森

中图分类号： S1528；S663107文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0127-05

HJ14mm]

收稿日期：2016-06-08

基金项目：新疆生产建设兵团科技攻关与成果转化计划（编号：2015AC012）；新疆生产建设兵团青年科技创新资金（编号：2014CB011）；新疆农垦科学院引导计划（编号：67YYD201404）。

作者简介：袁余（1987—），男，湖南娄底人，硕士，助理研究员，主要从事葡萄栽培生理及育种研究。E-mail：147986240@qqcom。

通信作者：苏学德，硕士，副研究员，主要从事葡萄栽培生理生态及育种研究。Tel：（0993）6683807；E-mail：suxuede509@126com。

新疆维吾尔族自治区作为葡萄产业发展的特色产区之一，具有得天独厚的优势，经过近几年的快速发展，新疆维吾尔族自治区葡萄栽培总面积达到1492万hm2，占新疆维吾尔族自治区林果栽培总面积的1569%，产量达到 23162万t1]。新疆维吾尔族自治区属干旱地区，在葡萄种植过程中为缓解旱区水资源的刚性约束，大力發展节水灌溉，以地下滴灌、地表滴灌为主。在实际生产中发现，地表滴灌容易导致果树根系上浮，造成果树对低温、干旱等外源逆境的抵抗能力下降2]，致使果树冻害严重，极大地影响葡萄果实产量和品质3]。地下滴灌（subsurface drip irrigation，SDI）是把灌水毛管及灌水器埋入土壤，将水或水肥的混合液缓慢渗入到作物根区土壤中，再借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到根系层，供作物吸收利用的一种灌水方法，在西班牙、美国等国家已进行大面积推广4-5]。有研究表明，与地表滴灌相比，地下滴灌具有更加节水、较高水分利用率、增产、提高品质等诸多优点6-10]。

土壤温度是与农业生产和生态环境紧密相关的土壤重要物理性质之一，其变化极大地影响土壤性质、微生物活性及数量，最终影响作物的生长发育11-17]，同时，不同灌溉方式、灌溉频率对地温有不同影响18-20]。地下滴灌对土壤水分、土壤温度和葡萄生长发育的影响已进行较多研究，为葡萄地下滴灌的系统设计布置提供了参考，为研究地下滴灌下葡萄的生长发育情况奠定了基础。陈若男等确定新疆维吾尔族自治区砾石地葡萄滴灌带合理设计及布设参数时发现，合理的滴头流量为25～30 Lh，滴灌带水平间距为60 cm21]。于坤等研究不同根区交替滴灌供水模式对赤霞珠葡萄幼苗生长的影响，结果表明，灌水侧为SDI的根区交替滴灌，能有效维持同一灌水周期内地上部叶片光合性能的稳定，保持叶片瞬时水分利用效率在较高水平22]。

本试验在现有的工作基础上，为更系统地了解地下滴灌葡萄园土壤温度的时空变化特征，对地下滴灌条件下葡萄园的土壤温度进行试验，分析土壤垂直方向上20、40、60、80 cm处的土壤温度日变化、土壤温度在葡萄不同生育期的变化及年变化情况，以期为土壤温度预测及调控提供参考依据，为调整葡萄种植结构、实现葡萄节水栽培提供一定的科学基础，使葡萄生产达到优质、高效、高产的栽培目的。

1材料与方法

11试验地情况

JP3]试验在新疆农垦科学院葡萄试验基地（4427° N、8594° E）进行，海拔443 m；试验地夏季气候干旱，属典型的温带大陆性气候，冬冷夏热，温差大，光热资源充足，降水稀少，蒸发强烈，多年平均降水量为200 mm，平均蒸发量为1 600 mm。试验基地建有自动气象站，可获得试验所需的相关气象数据。试验田土壤质地为沙壤土，土壤的物理性质见表1。

12试验材料

以3年生克瑞森葡萄园为试验对象，葡萄株行距为 2 m×35 m，栽培方式为倾斜主干水平龙干树形和水平连棚架，东西行向，呈鱼刺状向南北方向分列新梢（图1）。

13地下滴灌设计

试验于2014—2015年进行，采用地下滴灌，内镶式滴灌管，滴头安置在地下40 cm、距葡萄植株行20 cm处（图1），滴头流量为25～30 Lh，灌溉制度见表2。

14测定内容

2014年3月至2015年2月，在葡萄植株行上2个植株中JP3]间土壤垂直方向上20、40、60、80 cm土壤深处埋设MicroLite-U盘型温度记录仪，共12支（图1），以记录不同深度土壤温度，重复3次。空气温度用HOBO空气温湿度测定仪测定，数据记录间隔时间为2 h。

2结果与分析

21地下滴灌葡萄园各深度土壤温度日变化特征

灌水后9 d测定地下滴灌葡萄园不同时期、不同深度土壤温度日变化，由图2可见，1 d内不同深度土壤温度的日变化趋势基本相同，深度20 cm处的土壤温度日变化幅度相对较大，而40、60、80 cm处的日变化趋势相对平缓；深度20 cm处的土壤温度从04：00开始下降，14：00左右时温度达到最低，后温度开始上升，在20：00—22：00时土壤温度达到最大值，明显滞后于太阳辐射强度最小、最大出现的时间，滞后时间为6～8 h，这与杨霞等的研究结论23]基本相符；在葡萄灌溉期内气温升高，近地处的土壤温度高于深层土壤处的温度，且随气温的逐渐上升，各深度土壤之间的温差逐渐减小，2014年5月29日土壤深度20 cm处的平均温度比80 cm处的平均温度高429 ℃，而2014年7月19日土壤深度20 cm处的平均温度比80 cm处的平均温度高046 ℃，各深度土壤温度与气温接近，日变化幅度小；气温下降，深层土壤处的温度逐渐高于近地处的土壤温度，2014年9月19日平均气温为 180 ℃，土壤深度80 cm处的平均温度比20 cm处的平均温度高084 ℃；各深度土壤温度的日变化与气温日变化相关性较小，特别是深层土壤处的温度。endprint

22地下滴灌葡萄不同生育期内各深度土壤温度的变化特征

2014年测定葡萄萌芽后1 d内04：00、08：00、14：00、22：00 这4个具有代表特征时刻各深度土壤温度，结果（图3）显示， 地下滴灌葡萄萌芽期、 花期、果实生长期、 果实成熟期内的土壤温度变化具有一定的特征。

04：00时，土壤温度从萌芽期开始逐渐上升，到果实生长期达到最大值，这是由于04：00时没有辐射，当气温低于土壤温度时，土壤向空气传热；当气温升高，土壤向空气的传热减少，土壤温度较前一生育期有所增高；当气温降低，土壤向空气的传热增多，土壤温度较前一生育期上升缓慢甚至温度降低；土壤深度20 cm处的温度受气温影响相对最大，温差大于其他各深度土壤温度，这是由于近地处土壤与空气的热传导比深层土壤与空气中的热传导更快速。

08：00时，土壤温度在各生育阶段呈同一变化趋势，土壤温度在葡萄萌芽期、花期、果实生长期内逐渐上升；各深度土壤温度高低顺序依次为20 cm>40 cm>60 cm>80 cm，而进入果实成熟期后土壤温度开始下降，各深度土壤温度高低顺序依次为80 cm>60 cm>40 cm>20 cm。

14：00时，日照强度较强，气温较高，基本高于土壤温度，土壤温度从葡萄萌芽期开始上升，到果实生长期土壤温度达到最大值，后开始下降；14：00时各深度土壤之间的温差较其他时刻小。

22：00时，日照强度较低，气温开始下降；葡萄进入果实成熟期前，气温基本高于土壤温度，土壤继续吸收热量而温度增高，直至气温低于土壤温度；22：00时土壤温度最大值出现的时间随土壤深度的增加呈滞后现象。

23地下滴灌葡萄园各深度土壤温度的年变化特征

由图4可见，各深层土壤温度与气温的年变化趋势基本相同，温度呈先上升后下降趋势；土壤温度出现最大值和最小值的时间明显滞后于气温出现最大值和最小值的时间，且气

温在地温上升过程中高于土壤温度，气温在地温下降过程中低于土壤温度；土壤温度变化曲线随土壤深度增加振幅减小，是由于深层土壤受太阳辐射作用减弱的缘故；从2014年3月开始，各深度土壤温度逐渐上升，7月达到最高值，此过程中各深度土壤温度高低顺序依次为20 cm>40 cm>60 cm>80 cm；土壤深度20 cm处的最高月平均温度为2455 ℃，土壤深度80 cm处的最高月平均温度为2239 ℃，相差 216 ℃；从2014年8月开始，各深度土壤温度逐渐下降，2015年2月达到最小值，此过程中各深度土壤温度高低顺序依次为80 cm>60 cm>40 cm>20 cm，土壤深度80 cm处的最低月平均温度为439 ℃，土壤深度20 cm处的最高月平均温度为259 ℃，相差18 ℃；土壤深度40 cm处的年平均温度为1314 ℃，高于其他深度土壤温度；3—4月、8—9月各深度土壤温度的垂直变化相对较小，分布较为均匀，4—6月土壤温度垂直梯度逐渐增大。

FK（W13]TPYY4tif；S+3mm]

24土壤温度年变化与气温年变化的关系

由图4可知，土壤温度与气温直接相关，土壤温度的年变化随气温变化而变化。对土壤温度与气温进行回归分析（表3）发现，各深度土壤温度与气温有明显的二次函数关系，并随土层深度的增加，显著性逐渐降低，其中土壤深度20 cm处温度受气温的影响最为密切，土壤深度40 cm以下的气温对土壤温度的影响不显著。

3结论

地下滴灌葡萄园各深度土壤温度的日变化趋势基本相同，近地表处土壤温度日变化幅度较大，深层土壤温度日变化趋势平缓；地下滴灌葡萄园土壤温度最小值和最大值出现的时间滞后于太阳辐射强度最小和最大出现的时间。在葡萄灌溉期内，当气温升高，近地处的土壤温度高于深层土壤处的温度，且随气温的逐渐上升，各深度土壤间的温差减小；当气温下降，深层土壤处的温度逐渐高于近地处土壤温度。各深度土壤温度的日变化与太阳辐射强度有关，并受地面和大气间热量交换的影响24]，与气温日变化相关性较小，特别是深层处的土壤温度。

在地下滴灌条件下，葡萄萌芽期、花期、果实生长期、果实成熟期内的土壤温度变化具有一定的特征。04：00、08：00、14：00、22：00時的土壤温度在葡萄整个生育期内变化趋势均匀，从萌芽期开始上升，到果实生长期土壤温度达到最高值，后开始下降；从葡萄萌芽期到果实生长期，各深度土壤温度高低顺序依次为20 cm>40 cm>60 cm>80 cm，进入果实成熟期后，各深度土壤温度高低顺序依次为80 cm>60 cm>40 cm>20 cm；葡萄园土壤温度从2014年3月至2015年2月呈先上升后下降趋势，7月达到最大值；土壤温度变化曲线随土壤深度的增加振幅减小，且气温在地温上升过程中大于土壤温度，气温在地温下降过程中小于土壤温度。土壤深度40 cm处的年平均温度为1314 ℃，高于其他深度土壤年平均温度。各深度土壤温度在3—4月、8—9月垂直变化相对较小，分布较均匀，土壤温度4月开始自上而下垂直梯度增大。土壤温度的年变化随气温变化而变化，各深度土壤温度与气温有明显的二次函数趋势，并随土层深度的变化，显著性逐渐降低。

参考文献：

1]ZK（#]新疆维吾尔自治区统计局新疆统计年鉴M] 北京：中国统计出版社，2015

2]毛娟，陈佰鸿，曹建东，等 不同滴灌方式对荒漠区赤霞珠葡萄根系分布的影响J] 应用生态学报，2013，24（11）：3084-3090

3]吉春容，邹陈，陈丛敏，等 新疆特色林果冻害研究概述J] 沙漠与绿洲气象，2011，5（4）：1-4HJ165mm]

4]Romero P，Botia P，Garcia F Effects of regulated deficit irrigation under subsurface drip irrigation conditions on vegetative development and yield of mature almond treesJ] Plant and Soil，2004，260（12）：169-181endprint

5]Phene C J Subsurface drip irrigation：why and howJ] Irrigation Science，1999（4）：8-10

6]Ayars J E，Phene C J，Hutmacher R B，et al Subsurface drip irrigation of row crops：a review of 15 years of research at the water management research laboratoryJ] Agricultural Water Management，1999，42（1）：1-27

7]巩振兴 葡萄地下滴灌包气带水分特征分析J] 地下水，2014，36（4）：38-39

8]Thorburn P J，Cook F J，Bristow K L Soil-dependent wetting from trickle emitters：implications for system design and managementJ] Irrigation Science，2003，22（34）：121-127

9]Machado R A，do Rosário M，Oliveira G，et al Tomato root distribution，yield and fruit quality under subsurface drip irrigationJ] Plant and Soil，2003，255（1）：333-341

10]ZK（#]仵峰，范永申，李辉，等 地下滴灌灌水器堵塞研究J] 农业工程学报，2004，20（1）：80-83

11]李琳，张海林，陈阜，等 不同耕作措施下冬小麦生长季农田二氧化碳排放通量及其与土壤温度的关系J] 应用生态学报，2007，18（12）：2765-2770

12]胡恒觉，张仁陟，黄高宝 黄土高原旱地农业——理论、技术、潜力M] 北京：中国农业出版社，2002：79-80

13]李毅，邵明安 新疆农田作物覆膜地温极值的时空变化J] 应用生态学报，2004，15（11）：2039-2044

14]Kirda C，Topcu S，Cetin M，et al Prospects of partial root zone irrigation for increasing irrigation water use efficiency of major crops in the Mediterranean regionJ] Annals of Applied Biology，2007，150（3）：281-291

15]曹建华，潘根兴，袁道先 不同植物凋落物对土壤有机碳淋失的影响及岩溶效应J] 第四纪研究，2000，20（4）：359

16]梁滨，陶丽华，周青，等 环境污染对农业生态系统服务功能的影响J] 中国农学通报，2005，21（1）：293-295

17]Christmann A，Weiler E W，Steudle E，et al A hydraulic signal in root-to-shoot signalling of water shortageJ] The Plant Journal，2007，52（1）：167-174

18]陳新明，刘立库 不同灌溉方式下番茄根系层土壤温度分布特征J] 水资源与水工程学报，2013，24（5）：101-105

19]邸博，张玉龙，陈重，等 不同灌溉方法对保护地土壤温度的影响J] 节水灌溉，2009（8）：29-32

20]王建东，龚时宏，隋娟，等 华北地区滴灌灌水频率对春玉米和农田土壤水势分布的影响J] 农业工程学报，2008，2（2）：39-45

21]陈若男，王全九，杨艳芬 新疆砾石地葡萄滴灌带合理设计及布设参数的数值分析J] 农业工程学报，2010，26（12）：40-46

22]于坤，郁松林，刘怀锋，等 不同根区交替滴灌方式对赤霞珠葡萄幼苗根冠生长的影响J] 农业工程学报，2015，31（4）：113-120

23]杨霞，赵逸舟，罗继，等 阿克苏地区土壤温度特征分析J] 干旱区资源与环境，2011，25（12）：97-101

24]范爱武，刘伟，王崇琦 土壤温度和水分日变化实验J] 太阳能学报，2002，23（6）：721-724endprint